基于建模的铝合金薄壁件电磁渐进成形机理研究

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1、国内图书分类号：TG319西北工业大学工学博士学位论文基于建模的铝合金薄壁件电磁渐进成形机理研究博士研究生：严思梁导师：杨合教授副导师：李宏伟教授申请学位级别：博士学科、专业：材料加工工程所在单位：材料学院答辩日期：2017年6月授予学位单位：西北工业大学Classifiedindex：TG319DissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyModellingBasedStudyonMechanismofElectr

2、omagneticIncrementalFormingofThin-walledAluminumComponentPh.D.Candidate：YANSiliangAdvisor：ProfessorYANGHeAssociateAdvisor：ProfessorLIHongweiDegreeAppliedfor：DoctorofPhilosophySpeciality：MaterialsProcessingEngineeringSchool：MaterialsScienceandEngineeringDateofOralDefence：June,2

3、017UniversityConferringDegree：NorthwesternPolytechnicalUniversity摘要摘要铝合金大型薄壁构件是高端空天运载装备发展急需的关键构件，电磁渐进成形技术融合了电磁成形和局部加载渐进成形两方面的技术优势，能够提升大型构件的柔性成形能力和成形极限，是亟待研究和发展的一种先进塑性成形技术。然而，电磁渐进成形是一个复杂时空动态边界下的多物理场耦合问题，并且板料经历先急加速再急减速的应变率大范围变化过程，这一过程中材料微缺陷演化十分复杂并与宏观应力响应存在交互作用，使得其宏微观变形行为预测及成形质量控

4、制极具挑战。为此，本文采用理论建模、有限元数值建模与实验研究相结合的方法，对铝合金大型薄壁构件电磁渐进成形的宏微观机理进行了系统深入的研究，主要研究内容及结果如下：通过高速力学性能实验与微观表征实验，揭示了大应变率范围内的铝合金动态应力响应规律和微缺陷形成机理与演化规律，获得了材料流动应力的显著三阶段应变率敏感性变化特征：准静态下负应变率敏感性，高速小应变下显著升高的应变率敏感性，高速大应变下负应变率敏感性；通过热激活位错运动理论分析，探明了三阶段应变率控制机制分别为动态应变时效、强烈的位错交互作用（位错胞、位错带、原位亚晶）导致的应变率硬化、微缺

5、陷演化导致的流动软化。研究发现孔洞和剪切带是铝合金高速拉、压变形过程中主要微缺陷形式，孔洞体积分数和剪切带宽度是表征应变局部化程度和影响材料流动应力软化率的关键参数；高应变速率下的惯性效应导致第二相的分散化和缺陷的稳定化，使得非均匀变形延续较大应变范围，从而提高了材料成形极限。通过在结构相关的非热激活应力中引入大应变率范围内孔洞体积分数和绝热剪切带宽度演化方程，建立了基于Kocks模型框架的铝合金高速变形应力响应-微缺陷演化统一预测模型。描述了铝合金高速变形过程中的热激活位错运动导致的硬化与缺陷演化导致的软化之间的竞争行为，实现了应变率大范围变化下

6、微缺陷演化-应力响应的耦合精确预测。研究揭示了电塑性能量密度与铝合金通电变形塑性应力下降的线性关系及其作用阈值，通过在高速本构模型中引入电塑性能量密度、焦耳热膨胀应变和率相关修正因子，建立了强脉冲电流作用下铝合金载流高速变形弹塑性应力响应模型；将模型应用于电磁成形过程，揭示了应变率大范围变化下强脉冲电流对铝合金弹塑性流变行为和塑性动力学行为的定量作用规律，实现了铝合金电磁成形过程强脉冲电流作用的精确预测。基于上述铝合金高速变形应力响应-微缺陷演化统一预测模型和强脉冲电流作用作用模型，建立了5A06铝合金大型薄壁构件电磁渐进成形三维有限元模型；通过对

7、比分析实验件的变形和缺陷分布，在宏微观尺度上验证了模型的可靠性。基于有限元模拟，研究了放电参数、工位几何参数和放电路径等工艺参数对铝合金−I−西北工业大学工学博士学位论文大型薄壁构件宏观塑性流动和微缺陷演化的影响规律；建立了工艺参数与宏观缺陷指标、构件变形均匀性、微缺陷分布均匀性等成形质量指标的关联关系；进而获得了大型薄壁构件电磁渐进成形的工艺优选方案，为实现铝合金大型薄壁构件电磁渐进精确成形制造奠定了重要基础。关键词电磁渐进成形；大型薄壁构件；铝合金；宏观应力响应；微观缺陷；电致塑性；成形质量−II−AbstractAbstractLargeth

8、in-walledaluminumcomponents(LTWACs)arecrucialpartsforhigh-end